EP2724421B1 - Einpresspin für eine elektrische einpressverbindung zwischen einer elektronischen komponente und einer substratplatte - Google Patents

Einpresspin für eine elektrische einpressverbindung zwischen einer elektronischen komponente und einer substratplatte Download PDF

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EP2724421B1
EP2724421B1 EP12726773.0A EP12726773A EP2724421B1 EP 2724421 B1 EP2724421 B1 EP 2724421B1 EP 12726773 A EP12726773 A EP 12726773A EP 2724421 B1 EP2724421 B1 EP 2724421B1
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EP
European Patent Office
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press
pin
contact hole
substrate plate
head
Prior art date
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EP2724421A1 (de
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Manfred Moser
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • H01R13/00—Details of coupling devices of the kinds covered by groups H01R12/70 or H01R24/00 - H01R33/00
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    • H01R12/50—Fixed connections
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    • H01R12/55—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures characterised by the terminals
    • H01R12/58—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures characterised by the terminals terminals for insertion into holes
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    • H01R13/40—Securing contact members in or to a base or case; Insulating of contact members
    • H01R13/405—Securing in non-demountable manner, e.g. moulding, riveting
    • H01R13/41—Securing in non-demountable manner, e.g. moulding, riveting by frictional grip in grommet, panel or base

Definitions

  • the invention relates to a press-in pin for an electrical press-fit connection between an electronic component and a substrate plate with an electrical contact hole.
  • a press-in zone of such a press-in pin is usually covered with a tin layer, which forms a low-resistance metallic contact when pressed into a metallized contact hole of the substrate plate.
  • Lead-free tin alloys with a tin content of more than 90% by weight tend to break down mechanical stresses by ion transport to form filamentary monocrystalline whiskers. This involves the risk that the thread-like, several millimeters long whiskers on the substrate plate in particular between adjacent contact areas of electronic components cause short circuits that are not tolerable for electronic components such as ABS or ESP circuits in vehicles.
  • the lead tin alloys which prevent whisker formation in tin coatings of a press-fit pin, especially in vehicle components which are to be increasingly recycled, are not tolerable.
  • the invention provides a press-in pin for an electrical press-fit connection between an electronic component and a substrate plate with electrical contact hole.
  • the press-in pin has a press-in pin head which has a press-in head length which is adapted to at least one thickness of the substrate plate.
  • a Einpresspinbein extends between the electronic component and the Einpresspinkopf.
  • a Einpresspinkragen forms a transition between Einpresspinbein and Einpresspinkopf and has a Arret michsabsatz or a Einpresspinschulter.
  • the press-in pin head is coated with a lead-free tin alloy. At least the Einpresspinkragen with the Arret réellesabsatz has an electrically insulating coating.
  • a tin-free region is provided on a press-in pin shaft of the press-fit pin head at the transition to the press-fit pin collar in order to provide a space reserve for the sheared tin alloy.
  • the electrical contact hole may be coated with a metal alloy and the
  • Tin alloy of Einpresspinkopfes can form a cohesive Reib gleich spagung with the metal alloy of the contact hole during pressing.
  • an intensive cohesive contact of the metallization of the contact hole usually arises a copper alloy, which may be coated in this area with a noble metal, with the lead-free tin alloy, which has a share of more than 90 wt.% Tin, without the risk of long-term whisker formation may occur, especially since the inventively provided Einpastepinkragen with the Arret michsabsatz a having electrically insulating coating, so that after pressing in the provided with a tin layer Einpresspinkopfes the entire contact hole on the top of the substrate plate is protected by the electrically insulated to the outside Einpinkpragen from whisker formation.
  • Such an electrically insulating coating may comprise a polymer from the group of thermosets which, at a corresponding curing temperature, have a crosslinking of polymer molecular chains and thus can ensure long-lasting protection of the injection pin from whisker formation.
  • the coating to be provided above a press-in zone may comprise a non-conductive passivation.
  • the coating may e.g. an organic passivation include (OSP, "Organic Surface Protection").
  • the electrically insulating coating may be selectively sprayed, dip coated or painted, with at least the locking shoulder and the press-fit pin ear collar selectively provided with the electrically-insulating coating, but also coatings extending beyond these areas, which may also cover portions of the press-fit head, are suitable for the actual press-fitting process harmless, since the shear forces shear when pressing the Einpresspins in the metallized contact hole excess portions of the electrically insulating coating and expose the Zinnlottik the Einpresspinkopfes for a material Reib gleich Stahl between the tin coating and the metallization of the contact hole.
  • the tin content [Sn] of the lead-free tin alloy coating is between 90% by weight ⁇ [Sn] ⁇ 100% by weight.
  • the lead-free tin alloy has a thickness d Sn between 5 ⁇ m ⁇ d Sn ⁇ 50 ⁇ m and can be electrodeposited, dip-coated or physically applied.
  • the electrically insulating coating can be made significantly thinner and have a minimum coating thickness d iso of 0.5 ⁇ m.
  • the thickness of the insulating coating d iso be between 0.5 .mu.m.ltoreq.diso.ltoreq.50 .mu.m in order to ensure sufficient clearance between a plurality of press-in pins of a component.
  • An efficient electrical press-fit connection can be produced by pressing the press-fit pin of the press-in pin into the contact hole of the substrate plate, for example in the form of a printed circuit board, thereby producing a gas-tight, electrical connection which, with a corresponding design of the press fit between press-in pin head of the press-fit pin and contact hole to the above-mentioned cohesive metallic ReibQuery spagung can lead.
  • the cross-section of a Einpresspinkopfes with solid press-fit is square or polygonal, so that a pressing through the massive edges of this cross section, for example, in a round metallic contact hole can cause a cold friction welding.
  • the invention offers an advantageous alternative to pure thermal soldering technology in many applications. Not only are these advantages limited to avoiding a heating step such as a soldering process, but due to the shape or elasticity of the press-fit pin head in cooperation with the lead-free tin coating, a non-contact electrical connection between the tin coating of the press-fit pin head and the contact material of the contact hole of the substrate plate be created. In addition, you can With a single press-insertion a plurality of Einpresspinköpfen of Einpastepins a component according to prepared in contact holes of the substrate plate without aftertreatment and without increased processing temperature can be introduced.
  • whisker growth suppression layers such as nickel, silver or gold coatings may be eliminated.
  • the cause of the whisker formation of mechanical stresses which can also occur in the case of clamping and screw connection pins in assemblies, and which are particularly extreme in press-fit pins, can still be retained since the electron and ion transport additionally required for whisker formation in addition to the mechanical stresses , is prevented by the insulating coating.
  • Fig. 1 shows a schematic view of a Einpresspinkopfes 6 of a Einpresspins 1 according to a first embodiment of the invention.
  • the Einpresspinkopf 6 has a length l K , the thickness of a in FIG. 4 is shown adapted substrate plate.
  • the tip 25 of the press-fit pin 6 has an oval shape in longitudinal section, which in its cross-section is press-fitted to form an in-press FIG. 4 shown metallized contact hole of the substrate plate is adjusted. The oval tip then merges into a shape with a polygonal cross-section.
  • a solid press-fit zone 21 extends over almost the entire length l K of the press-in pin head 6 and is covered with a layer 20 of a tin alloy 15 having a thickness d Sn between 5 ⁇ m ⁇ d Sn ⁇ 50 ⁇ m and a proportion of tin [Sn]. between 90% by weight ⁇ [Sn] ⁇ 100% by weight.
  • a Einpresspinkragen 13 connects to the Einpresspinkopf 6, which merges via a Arret michsabsatz or a Einpresspinschulter 14 in a Einpresspinbein 7.
  • the Einpresspinbein 7 may have any cross-sections. It is crucial that with the help of the Arret michsabsatzes 14, the contact hole in the substrate plate is completely covered, so that when pressing the Einpresspins 1 in the contact hole of the press-in pin 1 is locked on top of the substrate plate.
  • At least the press-fit pin collar 13 and the arresting shoulder 14 with an electrically insulating coating 16 made of a thermoset in a thickness d iso are between 0.5 ⁇ m ⁇ d iso ⁇ 50 ⁇ m coated.
  • a tin-free region 26 is provided on a press-in pin shaft 27 of the press-in pin head 6 at the transition to the press-fit pin collar 13 in order to provide a space reserve for sheared tin volume, without this tin volume being squeezed out of the contact hole. This ensures at the same time that the Einpresspinkragen with his paragraph 14 and the insulating coating 16 is a permanent and long-term protection against whisker formation or blooming of Zinnwhiskern is prevented from the contact hole.
  • FIG. 1 While in FIG. 1 a Einpresspinkopf 6 is shown with massive press-in zone 21 in the region of polygonal cross-section, which can form a frictional metallic connection with the metallization of a contact hole with its massive polygonal edges, in FIG. 2 a schematic view of a Einpresspinkopfes 6 of a Einpresspins 2 according to a second embodiment of the invention shown.
  • This second embodiment of the invention differs from the first in which the Einpresspinkopf 6 flexible press-in zones 19, so that the press-in force of the press-fit 6 and thus of the press-in pin 2 itself is taken and deformation of the contact hole and thus the substrate plate is avoided.
  • Components with the same functions as in FIG. 1 be in FIG. 2 denoted by the same reference numerals and not discussed separately.
  • FIG. 3 shows a single pair of press-fit pins 2 according to FIG. 2 with a connection position 22 of an electronic component 3.
  • the pair of press-fit pins 2 can be fixed to the electronic component 3 via a connection hole 28 in the connection position 22.
  • two press-in pin legs 7 and 8 lead to the respective press-in pin collar 13 which, with the locking lugs 14, prevent the press-in pin legs 7 and 8 from penetrating into the contact holes of the substrate plate.
  • the electrically insulating coating 16 on the one hand the Einpresspinkragen 13 covered with Arretianssanthesis 14 and in this Einpresspins 2 additionally a part 18 of Einpresspinbeine 7 and 8 electrically isolated, whisker formation can be prevented.
  • FIG. 4 shows a plurality of press-fit pins 2 according to FIG. 2 with multiple terminal positions 22, 23 and 24 for connections to an electronic component 3, which is marked here with double dotted dashed line.
  • the substrate plate 4 has metallized contact holes 5, which have a metal alloy 17 on their inner walls.
  • the length l K of Elinpresspinköpfe 6 is adapted to the thickness d of the substrate plate 4.
  • the substrate plate 4 itself is made of an insulating circuit board material and has on its top or bottom conductor tracks made of a copper alloy to connect the electronic component 3 with other components via Einpresspinbeine 7 to 12. Due to the high power requirement of the electronic component 3, the press-fit pin 7 and 8, 9 and 10, and 11 and 12 are provided in pairs for the connection position 22, 23 and 24 here.
  • press-fit heads 6 of these press-fit pins 2 are designed so that they yield elastically and flexibly when pressed into a contact hole 5. Thus, the press-in forces are taken over directly by the press-in heads 6 and do not deform the substrate plate 4 or the contact hole 5 of the substrate plate 4.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft einen Einpresspin für eine elektrische Einpressverbindung zwischen einer elektronischen Komponente und einer Substratplatte mit elektrischem Kontaktloch.
  • Eine Einpresszone eines derartigen Einpresspins ist üblicherweise mit einer Zinnschicht bedeckt, die beim Einpressen in ein metallisiertes Kontaktloch der Substratplatte einen niederohmigen metallischen Kontakt bildet. Bleifreie Zinnlegierungen mit einem Zinnanteil von über 90 Gew.% neigen dazu mechanische Spannungen durch lonentransport unter Bildung von fadenförmigen einkristallinen Whiskern abzubauen. Damit ist die Gefahr verbunden, dass die fadenförmigen, mehrere Millimeter langen Whisker auf der Substratplatte insbesondere zwischen benachbarten Kontaktbereichen elektronischer Komponenten Kurzschlüsse verursachen, die für Elektronikbauteile wie ABS- oder ESP-Schaltungen in Fahrzeugen nicht tolerierbar sind. Aus Recycling-Gründen und Gründen der Umweltbelastung sind jedoch auch die eine Whiskerbildung verhindernden Bleizinnlegierungen in Zinnbeschichtungen eines Einpresspins, insbesondere bei Fahrzeugkomponenten, die zunehmend recycelt werden sollen, nicht tolerabel.
  • Aus der Druckschrift DE 1 093 097 ist dazu ein Verfahren zum Schutz von Zinnschichten vor Whiskerbildung bekannt. Bei diesem Verfahren wird nach dem Abscheiden einer bleifreien Zinnschicht eine Edelmetallschicht, vorzugsweise aus Gold, auf der nahezu reinen Zinnschicht abgeschieden. Das hat nicht nur den Nachteil eines zusätzlichen, aufwendigen und wegen des Edelmetalls auch teuren weiteren Abscheidungsschrittes sondern kann bei zu dicker Abscheidungsschicht auch zu Problemen der Lötfähigkeit der Zinnbeschichtung führen, zumal bei dem bekannten Verfahren nicht das Herstellen einer Einpresspinverbindung im Vordergrund steht, bei dem eine 50 Angström dicke Goldschicht abgetragen würde und wirkungslos wäre, sondern vielmehr eine lange Lagerfähigkeit von Komponenten mit zinnbeschichteten Kontaktpins erreicht werden soll, die bei einem spannungsfreien Einbringen auf Substratplatten spannungsfrei gelötet werden sollen. Mit einem Einpresspin soll jedoch gerade dieser Schritt eines Schmelzlötens auf einer Substratplatte eingespart werden.
  • Aus der Druckschrift JP 2005 25 20 64 A ist darüber hinaus ein Verbindungsteil für flexible Leiterplatten oder flexible Flachleiter und Stecker bekannt, wobei für diese Verbindungsteile eine Whiskerbildung verhindert werden kann, indem zwischen der Kontaktfläche der Leiterplatte und dem flach aufgebrachten Flachleiteranschluss rund um eine Reibschweißverbindung flüssiges Harz injiziert wird, das den flachen Verbindungsbereich zwischen Kupferanschluss des Substrats und Zinnschicht des aufgebrachten Flachleiters schützen soll. Bei diesem bekannten Verbindungsteil wird die Whiskerbildung von Zinnschichten durch eine nachträgliche Harzbeschichtung der Kupfer-Zinn-Verbindung unterbunden, jedoch wird damit eine Whiskerbildung nach einem Einpressen von zinnbeschichteten Einpresspins einer elektronischen Komponente in ein Kontaktloch einer Substratplatte nicht verhindert.
  • Aus JP 2010 186658 A ist ein Einpresspin gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Mit der Erfindung wird ein Einpresspin für eine elektrische Einpressverbindung zwischen einer elektronischen Komponente und einer Substratplatte mit elektrischem Kontaktloch geschaffen. Der Einpresspin weist einen Einpresspinkopf auf, der eine Einpresskopflänge aufweist, die mindestens einer Dicke der Substratplatte angepasst ist. Ein Einpresspinbein erstreckt sich zwischen der elektronischen Komponente und dem Einpresspinkopf. Ein Einpresspinkragen bildet einen Übergang zwischen Einpresspinbein und Einpresspinkopf und weist einen Arretierungsabsatz bzw. eine Einpresspinschulter auf. Der Einpresspinkopf ist mit einer bleifreien Zinnlegierung beschichtet. Mindestens der Einpresspinkragen mit dem Arretierungsabsatz weist eine elektrisch isolierende Beschichtung auf.
  • Erfindungsgemäß ist auf einem Einpresspin-Schaft des Einpresspinkopfes am Übergang zu dem Einpresspinkragen ein zinnfreier Bereich vorgesehen, um eine Raumreserve für abgescherte Zinnlegierung zur Verfügung zu stellen.
  • Das elektrische Kontaktloch kann dazu mit einer Metalllegierung beschichtet sein und die
  • Zinnlegierung des Einpresspinkopfes kann beim Einpressen eine stoffschlüssige Reibschlussfügung mit der Metalllegierung des Kontaktlochs ausbilden. Dabei entsteht ein intensiver stoffschlüssiger Kontakt der Metallisierung des Kontaktlochs aus üblicherweise einer Kupferlegierung, die in diesem Bereich mit einem Edelmetall beschichtet sein kann, mit der bleifreien Zinnlegierung, die einen Anteil von über 90 Gew.% Zinn aufweist, ohne dass die Gefahr einer langzeitigen Whiskerbildung auftreten kann, zumal der erfindungsgemäß vorgesehene Einpresspinkragen mit dem Arretierungsabsatz eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist, so dass nach dem Einpressen des mit einer Zinnschicht versehenen Einpresspinkopfes das gesamte Kontaktloch auf der Oberseite der Substratplatte durch den nach außen elektrisch isolierten Einpresspinkragen vor einer Whiskerbildung geschützt ist.
  • Weiterhin ist es vorgesehen, nicht nur den Einpresspinkragen mit dem Arretierungsabsatz mit einer isolierenden Beschichtung zu versehen, sondern noch zusätzlich mindestens einen unteren Teil des Einpresspinbeins von dem Einpresspinkragen elektrisch isolierend zu beschichten.
  • Eine derartige elektrisch isolierende Beschichtung kann ein Polymer aus der Gruppe der Duroplaste aufweisen, die bei einer entsprechenden Aushärtetemperatur eine Vernetzung von Polymer-Molekülketten aufweisen und somit einen langlebigen Schutz des Einpresspins vor Whiskerbildungen sichern können. Die oberhalb einer Einpresszone vorzusehende Beschichtung kann eine nichtleitende Passivierung umfassen. Die Beschichtung kann z.B. eine organische Passivierung umfassen (OSP, "Organic Surface Protection").
  • Die elektrisch isolierende Beschichtung kann selektiv aufgesprüht, tauchbeschichtet oder auflackiert sein, wobei mindestens der Arretierungsabsatz und der Einpresspinkopfkragen selektiv mit der elektrisch isolierenden Beschichtung zu versehen sind, jedoch auch über diese Bereiche hinaus reichende Beschichtungen, die evtl. auch Teile des Einpresskopfes bedecken, sind für den eigentlichen Einpressvorgang unschädlich, da die Scherkräfte beim Einpressen des Einpresspins in das metallisierte Kontaktloch überschüssige Anteile der elektrisch isolierenden Beschichtung abscheren und die Zinnlotschicht des Einpresspinkopfes für eine stoffschlüssige Reibschlussfügung zwischen der Zinnbeschichtung und der Metallisierung des Kontaktlochs freilegen.
  • Der Zinnanteil [Sn] der bleifreien Zinnlegierungsbeschichtung liegt zwischen 90 Gew.% ≤ [Sn] ≤ 100 Gew.%. Dabei weist die bleifreie Zinnlegierung eine Dicke dSn zwischen 5 µm ≤ dSn ≤ 50 µm auf und kann galvanisch abgeschieden, tauchbeschichtet oder physikalisch aufgebracht sein.
  • Demgegenüber kann die elektrisch isolierende Beschichtung deutlich dünner ausgeführt werden und eine minimale Beschichtungsdicke diso von 0,5 µm aufweisen. Nach oben ist zwar keine Grenze gesetzt, jedoch empfiehlt es sich, dass die Dicke der isolierenden Beschichtung diso zwischen 0,5 µm ≤ diso ≤ 50 µm liegt, um einen ausreichenden Freiraum zwischen mehreren Einpresspins einer Komponente sicherzustellen.
  • Eine leistungsfähige elektrische Einpressverbindung kann dadurch hergestellt werden, dass der Einpresspinkopf des Einpresspins in das Kontaktloch der Substratplatte beispielsweise in Form einer gedruckten Leiterplatte gepresst und dabei eine gasdichte, elektrische Verbindung erzeugt wird, die bei entsprechender Auslegung der Presspassung zwischen Einpresspinkopf des Einpresspins und Kontaktloch zu der oben erwähnten stoffschlüssigen metallischen Reibschlussfügung führen kann. Dazu ist es möglich, flexible Einpresszonen an einem Einpresspinkopf vorzusehen, die gezielt elastische Eigenschaften aufweisen, so dass die mechanischen Kräfte während des Einpressens hauptsächlich durch den Einpresspinkopf selbst aufgenommen werden.
  • Andererseits ist es auch möglich, an dem Einpresspinkopf massive Einpresszonen vorzusehen, so dass sich der Einpresspinkopf elastisch nicht verformt, jedoch die Zinnlegierungsbeschichtung plastisch verformt wird, und die Kraft während des Einpressens hauptsächlich von dem Kontaktloch der Substratplatte aufgenommen wird.
  • Dazu ist der Querschnitt eines Einpresspinkopfes mit massiven Einpresszonen quadratisch oder polygonal ausgebildet, so dass ein Einpressen durch die massiven Kanten dieses Querschnitts beispielsweise in einem runden metallischen Kontaktloch eine Kaltreibschweißung verursachen kann.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung bietet als lötfreie Verbindungstechnik in vielen Anwendungsfällen eine vorteilhafte Alternative zur reinen thermischen Löttechnik. Diese Vorteile beschränken sich nicht nur darauf, dass ein Erwärmungsschritt wie ein Lötprozess vermieden werden kann, sondern aufgrund der Formgebung oder Elastizität des Einpresspinkopfes im Zusammenwirken mit der bleifreien Zinnbeschichtung kann eine kontaktwiderstandfreie, elektrische Verbindung zwischen der Zinnbeschichtung des Einpresspinkopfes und dem Kontaktmaterial des Kontaktlochs der Substratplatte geschaffen werden. Außerdem können mit einem einzigen Einpressschritt eine Mehrzahl von Einpresspinköpfen von Einpresspins einer Komponente entsprechend in vorbereitete Kontaktlöcher der Substratplatte ohne Nachbehandlung und ohne erhöhte Verarbeitungstemperatur eingebracht werden.
  • Durch die bereits auf dem Einpresspinkragen mit dem Arretierungsabsatz aufgebrachte, elektrisch isolierende Beschichtung ist praktisch die Langzeitstabilität für derartige Einpresspinverbindungen sichergestellt, da die fadenförmige Whiskerbildung unterbunden wird. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einpresspins liegt darin, dass nun auch für sicherheitskritische Anwendungen der Elektronik, beispielsweise bei ABS- oder ESP-Systemen in Kraftfahrzeugen, eine ausreichende Langzeitstabilität gewährleistet ist, so dass auf die bisher unverzichtbaren bleihaltigen Lote verzichtet werden kann.
  • Außerdem kann auf den großen Aufwand, der mit dem Einbringen und Aufbringen von Zwischenschichten zur Unterdrückung des Whiskerwachstums wie beispielsweise Nickel-, Silber- oder Gold-Beschichtungen verbunden ist, verzichtet werden. Die ursächlich für die Whiskerbildung mechanischen Spannungen, die auch bei Klemm- und Schraubverbindungspins bei Baugruppen auftreten können und besonders extrem bei Einpresspins vorhanden sind, können weiterhin beibehalten werden, da der Elektronen- und lonentransport, der für die Whiskerbildung neben den mechanischen Spannungen zusätzlich erforderlich ist, durch die isolierende Beschichtung unterbunden wird.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden nunmehr anhand der beigefügten Figuren eingehender beschrieben. Hierbei zeigt:
    • Fig. 1
    eine schematische Ansicht eines Einpresspinkopfes eines Einpresspins gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
    Fig. 2
    eine schematische Ansicht eines Einpresspinkopfes eines Einpresspins gemäß einer anderen Ausführungsform nicht Teil der Erfindung;
    Fig. 3
    ein Paar der Einpresspins gemäß Figur 2 mit einer Anschlussposition einer elektronischen Komponente;
    Fig. 4
    eine Mehrzahl der Einpresspins gemäß Figur 2 mit mehreren Anschlusspositionen für Anschlüsse an eine elektronische Komponente.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Einpresspinkopfes 6 eines Einpresspins 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Einpresspinkopf 6 weist eine Länge lK auf, die der Dicke einer in Figur 4 gezeigten Substratplatte angepasst ist. In dieser ersten Ausführungsform der Figur 1 weist die Spitze 25 des Einpresspins 6 eine im Längsschnitt ovale Form auf, die in ihrem Querschnitt einer Presspassung zu einem in Figur 4 gezeigten metallisierten Kontaktloch der Substratplatte angepasst ist. Die ovale Spitze geht dann in eine Form mit polygonalem Querschnitt über. Eine massive Einpresszone 21 erstreckt sich nahezu über die gesamte Länge lK des Einpresspinkopfes 6 und ist mit einer Schicht 20 aus einer Zinnlegierung 15 bedeckt, die eine Dicke dSn zwischen 5 µm ≤ dSn ≤ 50 µm und einen Anteil an Zinn [Sn] zwischen 90 Gew.% ≤ [Sn] ≤ 100 Gew.% aufweist.
  • An den Einpresspinkopf 6 schließt sich ein Einpresspinkragen 13 an, der über einen Arretierungsabsatz bzw. eine Einpresspinschulter 14 in ein Einpresspinbein 7 übergeht. Dabei kann das Einpresspinbein 7 beliebige Querschnitte aufweisen. Entscheidend ist, dass mithilfe des Arretierungsabsatzes 14 das Kontaktloch in der Substratplatte vollständig überdeckt wird, so dass beim Einpressen des Einpresspins 1 in das Kontaktloch der Einpresspin 1 auf der Oberseite der Substratplatte arretiert wird. Um ein Ausblühen von fadenförmigen Whiskern aus der unter Spannung eingepressten Zinnlegierung 15 zu vermeiden, sind mindestens der Einpresspinkragen 13 und der Arretierungsabsatz 14 mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung 16 aus einem Duroplast in einer Dicke diso zwischen 0,5 µm ≤ diso ≤ 50 µm beschichtet.
  • Weiterhin ist ein zinnfreier Bereich 26 auf einem Einpresspin-Schaft 27 des Einpresspinkopfes 6 am Übergang zu dem Einpresspinkragen 13 vorgesehen, um eine Raumreserve für abgeschertes Zinnvolumen zur Verfügung zu stellen, ohne dass dieses Zinnvolumen aus dem Kontaktloch herausgequetscht wird. Damit wird gleichzeitig sichergestellt, dass der Einpresspinkragen mit seinem Absatz 14 und der isolierenden Beschichtung 16 einen dauerhaften und langzeitigen Schutz vor einer Whiskerbildung darstellt beziehungsweise ein Ausblühen von Zinnwhiskern aus dem Kontaktloch verhindert wird.
  • Während in Figur 1 ein Einpresspinkopf 6 mit massiver Einpresszone 21 im Bereich mit polygonalem Querschnitt gezeigt wird, der mit seinen massiven polygonalen Kanten eine reibschlüssige metallische Verbindung mit der Metallisierung eines Kontaktlochs ausbilden kann, wird in Figur 2 eine schematische Ansicht eines Einpresspinkopfes 6 eines Einpresspins 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Diese zweite Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der ersten in dem der Einpresspinkopf 6 flexible Einpresszonen 19 aufweist, so dass die Einpresskraft von dem Einpresskopf 6 und damit von dem Einpresspin 2 selbst aufgenommen wird und eine Deformation des Kontaktloches und damit der Substratplatte vermieden wird. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in Figur 1 werden in Figur 2 mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
  • Bezeichnend in Figur 2 ist außerdem, dass die strichpunktierte Linie, welche den flexiblen Einpresszonenbereich bei dieser Form des Einpresspins 2 kennzeichnet, eng an der flexiblen Kontur des Einpresspinkopfes 6 anliegt. Darüber hinaus ist in dem Bereich des Einpresspin-Schaftes 27 des Einpresspinkopfes 6 ein deutlich größerer Reserveraum zum Ansammeln von abgescherter Zinnlegierung 15 an dem Übergang von dem Einpresspinkopf 6 auf den Einpresspinkragen 13 vorgesehen. Ein weiterer Unterschied mit der Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass der Querschnitt dieses Einpresspinkopfes nahezu rund ist und sich flexibel beim Einpressen in ein Kontaktloch an den Durchmesser des Kontaktlochs anpasst, wie es die nachfolgende Figur 4 zeigt.
  • Figur 3 zeigt ein einzelnes Paar der Einpresspins 2 gemäß Figur 2 mit einer Anschlussposition 22 einer elektronischen Komponente 3. Dabei kann das Paar der Einpresspins 2 über ein Verbindungsloch 28 in der Anschlussposition 22 an der elektronischen Komponente 3 fixiert werden. Von der Position der elektronischen Komponente 3 mit der Anschlussposition 22 führen zwei Einpresspinbeine 7 und 8 zu den jeweiligen Einpresspinkragen 13, die mit den Arretierungsansätzen 14 ein Eindringen der Einpresspinbeine 7 und 8 in die Kontaktlöcher der Substratplatte verhindern. Durch die elektrisch isolierende Beschichtung 16, die einerseits den Einpresspinkragen 13 mit Arretierungsansatz 14 bedeckt und in dieser Einpresspins 2 zusätzlich einen Teil 18 der Einpresspinbeine 7 und 8 elektrisch isoliert, kann eine Whiskerbildung unterbunden werden.
  • Figur 4 zeigt eine Mehrzahl der Einpresspins 2 gemäß Figur 2 mit mehreren Anschlusspositionen 22, 23 und 24 für Anschlüsse an eine elektronische Komponente 3, die hier mit doppelt punktierter Strichlinie markiert ist. Die Substratplatte 4 weist metallisierte Kontaktlöcher 5 auf, die eine Metalllegierung 17 auf ihren Innenwänden aufweisen. Dazu ist die Länge lK der Elinpresspinköpfe 6 an die Dicke d der Substratplatte 4 angepasst. Die Substratplatte 4 selbst ist aus einem isolierenden Leiterplattenwerkstoff und weist auf ihrer Ober- oder Unterseite Leiterbahnen aus einer Kupferlegierung auf, um die elektronische Komponente 3 mit anderen Komponenten über Einpresspinbeine 7 bis 12 zu verbinden. Aufgrund des hohen Strombedarfs der elektronischen Komponente 3 sind hier die Einpresspinbeine 7 und 8, 9 und 10, sowie 11 und 12 paarweise für die Anschlussposition 22, 23 bzw. 24 vorgesehen. Außerdem ist nicht nur der Einpresspinkragen 13 mit dem Arretierungsabsatz 14 mit einer isolierenden Beschichtung 16 versehen, sondern auch ein Teil 18 der Einpresspinbeine 7 bis 12 im Anschluss an die Einpresspinkragen 13. Außerdem wird mit dieser Figur 4 deutlich, dass eine erhebliche Raumreserve 29 im Bereich des Einpresspin-Schaftes 27 vorgehalten wird, die ein durch Scherkräfte abgeschertes Zinn-Volumen beim Einpressen des Einpresszinnkopfes 6 aufnehmen kann, ohne dass dieses Zinn-Volumen in Richtung auf eine Oberseite 30 aus dem Kontaktloch 5 herausgequetscht oder herausgepresst wird.
  • Wie oben bereits erwähnt, sind die Einpressköpfe 6 dieser Einpresspins 2 so gestaltet, dass sie beim Einpressen in ein Kontaktloch 5 elastisch und flexibel nachgeben. Somit werden die Einpresskräfte von den Einpressköpfen 6 direkt übernommen und deformieren nicht die Substratplatte 4 beziehungsweise das Kontaktloch 5 der Substratplatte 4.
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt; vielmehr sind innerhalb des durch die anhängenden Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims (11)

  1. Einpresspin für eine elektrische Einpressverbindung zwischen einer elektronischen Komponente (3) und einer Substratplatte (4) mit elektrischem Kontaktloch (5) aufweisend
    - einen Einpresspinkopf (6), der eine Einpresskopflänge (lK) aufweist,
    - ein Einpresspinbein (7), das sich zwischen der elektronischen Komponente (3) und dem Einpresspinkopf (6) erstreckt,
    - einen Einpresspinkragen (13), der einen Übergang zwischen dem Einpresspinbein (7) und dem Einpresspinkopf (6) bildet und einen Arretierungsabsatz (14) aufweist,
    wobei der Einpresspinkopf (6) mit einer Schicht (20) einer bleifreien Zinnlegierung (15) beschichtet ist, und der Einpresspinkragen (13) mit dem Arretierungsabsatz (14) eine elektrisch isolierende Beschichtung (16) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Einpresspin-Schaft (27) des Einpresspinkopfes (6) am Übergang zu dem Einpresspinkragen (13) ein zinnfreier Bereich (26) vorgesehen ist, um eine Raumreserve für abgescherte Zinnlegierung (15) zur Verfügung zu stellen.
  2. Einpresspin nach Anspruch 1, wobei die elektrisch isolierende Beschichtung (16) von dem Einpresspinkragen (13) aus mindestens einen Teil (18) des Einpresspinbeins (7) bedeckt.
  3. Einpresspin nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrisch isolierende Beschichtung (16) als nichtleitende Passivierung ausgebildet ist.
  4. Einpresspin nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrisch isolierende Beschichtung (16) ein Polymer aus der Gruppe der Duroplaste aufweist.
  5. Einpresspin nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrisch isolierende Beschichtung (16) eine Dicke diso zwischen 0,5 µm diso ≤ 50 µm aufweist.
  6. Einpresspin nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die bleifreie Zinnlegierung (15) einen Zinnanteil [Sn] zwischen 90 Gew.% ≤ [Sn] ≤ 100 Gew.% aufweist.
  7. Einpresspin nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht (20) aus der bleifreien Zinnlegierung (15) eine Dicke dSn zwischen 5 µm ≤ dSn ≤ 50 µm aufweist.
  8. Einpresspin nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Einpresspinkopf (6) flexible Einpresszonen (19) aufweist.
  9. Einpresspin nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Einpresspinkopf (6) massive Einpresszonen (21) aufweist.
  10. Anordnung für eine elektrische Verbindung zwischen einer elektronischen Komponente (3) und einer Substratplatte (4) mit elektrischem Kontaktloch (5), umfassend einen Einpresspin nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und die Substratplatte (4) mit dem elektrischem Kontaktloch (5), wobei die Einpresskopflänge (lK) einer Dicke (d) der Substratplatte (4) angepasst ist.
  11. Anordnung nach Anspruch 10, wobei das Kontaktloch (5) mit einer Metalllegierung (17) beschichtet ist und die Zinnlegierung (15) des Einpresspinkopfes (6) eine stoffschlüssige Reibschlussfügung mit der Metalllegierung (17) des Kontaktlochs (5) ausbildet.
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